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【Materials Studio】用于加速锂硫电池中多硫化物转化的双功能Co5.47N/Fe3N 异质结构互连3D N-掺杂碳纳米管-石墨烯杂化物
1、研究背景
锂硫电池（LSBs）由于自身具有高理论容量，因此被认为是最先进且最有前途的锂离子电池替代储能系统，但是其中硫的绝缘体-Li2S/Li2S2会降低LSBs的电化学性能，即由多硫化锂（LiPSs）缓慢的转化反应引起的穿梭效应会导致硫的利用率降低。许多学者在近些年已经提出了诸多方案解决这些问题。其中有研究表明结合高电导率（碳纳米管）CNT和石墨烯以防止金属氮化物聚集的原位一步程序可以显着提高LSB性能。因此作者制造了包裹有3D氮掺杂CNT和石墨烯骨架（3D Co5.47N/Fe3N@N-CNT-G）的高导电Co5.47N/Fe3N异质结构，以改善电子和锂离子的传输。
图1 用于Li-S应用的3D Co5.47N/Fe3N@N-CNT-G/S复合材料的原位合成过程
2、模拟方法
作者使用Materials Studio软件中的CASTEP模块进行了密度泛函理论（DFT）计算，其中采用GGA-PBE交换泛函；Grimme方法进行DFT-D（色散校正）；K点选取为3×3×1；截断能为400ev；为了避免周期性结构镜像相互作用影响，真空层设置为15Å；收敛精度为Ultra-fine,进行吸附能计算。
3、结果与讨论
由于态密度（DOS）中Fermi费米能级的位置可以看出材料是金属还是半导体从而可以定性的反映出电导率的大小，所以作者依据DFT计算了Co5.47N/Fe3N异质结构的能带与态密度。结果显示Co5.47N/Fe3N 异质结构比纯 Co5.47N 和 Fe3N 纳米结构具有更高的DOS值，这进一步验证了在最佳合成条件下成功形成异质结构可以提高电导率，从而为锂硫电池应用提供高效的硫主体。
图2 Co5.47N、Co5.47N/Fe3N和Fe3N的能带结构和态密度
由于材料的吸附能力对提高LiPS的捕获能力和降低穿梭效应具有重要作用，并且为了清楚Co5.47N/Fe3N异质结构和Li2S6之间的相互作用增强机理，作者计算了金属氮化物的（111）晶面和Li2S6结构之间的结合能以检查组分之间的相互作用强度。结果显示Co5.47N/Fe3N异质结构与Li2S6的结合能最高为-7.15 eV，大于Co5.47N-Li2S6（-6.31 eV）和Fe3N-Li2S6（-3.34 eV），表明Co5.47N/Fe3N 异质结构与Li2S6结构的结合作用最强。
图3 Li2S6结合能计算
4、总结
作者使用Materials Studio软件中的CASTEP模块进行DFT计算，主要是材料的能带、态密度以及吸附能。结果显示高效的硫主体Co5.47N/Fe3N异质结构可以提高导电性，且与LiPS结构有着强结合能，可以显著提高锂硫电池的性能，可以为下一代储能和转换设备设计高性能材料提供一条有希望的途径。
